圖1 襄陽(yáng)魚(yú)梁洲污泥處理廠(chǎng)平面布置
魚(yú)梁洲污水處理廠(chǎng)污泥產(chǎn)量為150～200 t/d（以含固率20%計），在該污泥處理廠(chǎng)建成之前，由于污泥未能得到處理，導致近15萬(wàn)t的污泥（以含固率20%計）堆積在廠(chǎng)內，所以該污泥處理廠(chǎng)除了要處理污水處理廠(chǎng)每日脫水的新鮮污泥外，在近期還要承擔原有堆積污泥的處理任務(wù)。目前每天約處理堆積污泥100 t（以含固率20%計）。新鮮脫水污泥與原有堆積污泥的有機質(zhì)含量分別為40%～60%（受季節影響）和35%～45%。
2 襄陽(yáng)污泥處理工藝技術(shù)
2.1高溫熱水解工作原理
污泥高溫熱水解預處理技術(shù)是21世紀初開(kāi)始在歐洲用于工程實(shí)踐的，目前全球范圍已有50多個(gè)項目使用了這項技術(shù)，每年處理污泥974 000 t（以污泥干基計），相當于每天處理含固率20%的脫水污泥13 340 t。
高溫熱水解預處理的目的是：利用高溫和高壓迫使污泥結構和性狀發(fā)生變化，并有效提高污泥衛生化水平。這一預處理過(guò)程能夠促使后續厭氧消化過(guò)程加速，提高厭氧消化效率、穩定化水平和脫水性能；能夠促使污泥中轉化為生物質(zhì)能源（沼氣）的有機物質(zhì)比例得到改善，提高沼氣產(chǎn)量。借助于污泥粘滯性的改善，可以提高消化池進(jìn)泥含固率，在傳統消化設備不改變的條件下，實(shí)現原有消化設施處理能力的翻番。國外目前許多案例，就是依靠增加高溫熱水解預處理設施，實(shí)現了原有消化設施擴容目的。
熱水解處理設施一般主要包括預熱罐、熱水解罐和閃蒸泄壓罐，工藝過(guò)程包括以下階段：
(1) 為提高熱能利用效率，污水處理廠(chǎng)脫水污泥（含固率15%～20%）首先進(jìn)入混合預熱罐，與從閃蒸泄壓罐回收的蒸汽混合，將污泥預加熱至100 ℃左右。
(2) 預熱后的污泥進(jìn)入高溫熱水解罐進(jìn)行熱水解反應，反應壓力和反應溫度分別為0.6～0.7 MPa和150～170 ℃，熱水解反應時(shí)間30 min。
(3) 熱水解后的污泥被急速送到閃蒸泄壓罐，由于壓力的釋放，在壓力差的作用下，使污泥結構發(fā)生變化。
(4) 污泥經(jīng)熱水解和在閃蒸泄壓罐內釋放壓力后，污泥溫度為100～105 ℃，再經(jīng)熱交換器進(jìn)行冷卻，換熱后污泥溫度在40～50 ℃，以滿(mǎn)足后續厭氧消化的要求。整個(gè)熱水解過(guò)程一般需要3～4 h，因與蒸汽的混合，高溫熱水解后污泥的含固率降至10%～12%。
2.2污泥處理工藝
襄陽(yáng)污泥處理工藝由高溫熱水解車(chē)間、厭氧消化池、脫水車(chē)間、污泥干化車(chē)間、沼氣儲存罐和沼氣提純處理等設施組成，工藝流程詳見(jiàn)圖2。
圖2 污泥處理廠(chǎng)工藝流程
來(lái)自污水處理廠(chǎng)的新鮮脫水污泥和原有堆積污泥（含固率20%左右），送入高溫熱水解車(chē)間。該車(chē)間的高溫熱水解系統，由預熱罐、高溫熱水解罐和閃蒸泄壓罐組成。其中4個(gè)熱水解球罐采用序批式方法工作，反應熱媒采用壓力0.7 MPa，溫度 170 ℃的蒸汽。熱水解后的污泥，進(jìn)入閃蒸罐，溫度降至100～105 ℃（所收集的熱能用于污泥預熱罐），高溫熱水解車(chē)間內景詳見(jiàn)圖3。
圖3 高溫熱水解車(chē)間內景
經(jīng)高溫熱水解處理后污泥含固率降至11%左右。該污泥經(jīng)換熱冷卻至40～50 ℃后，進(jìn)入2座單池容積為6 000 m3的柱形消化池，停留時(shí)間15～18 d，厭氧消化的有機物降解率為55%～65%。高于《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB 18918—2002）有機物降解率大于40%的要求。
厭氧消化后的污泥，經(jīng)離心脫水機脫水至含固率30%左右，因脫水性能得到改善，故不需再投加化學(xué)藥劑進(jìn)行調理。
脫水后污泥進(jìn)入干化車(chē)間，干化車(chē)間為陽(yáng)光棚結構，利用閃蒸泄壓后污泥冷卻得到的熱水，通過(guò)污泥層下的熱水盤(pán)管加熱污泥，同時(shí)借助陽(yáng)光熱能的作用，將脫水污泥干化至含固率60%左右，干化車(chē)間詳見(jiàn)圖4。
圖4 干化車(chē)間內景
2.3污泥處理后產(chǎn)物的利用情況
2.3.1生物質(zhì)能源（沼氣）
能夠在污泥處理的過(guò)程中得到生物質(zhì)能源——沼氣，是厭氧消化處理工藝與其他所有污泥處理工藝最大的不同。但是經(jīng)高溫熱水解后，沼氣量不僅能夠確保自用，而且還有向社會(huì )提供能源供應的余量，所以它是綠色處理技術(shù)?，F襄陽(yáng)污泥處理工程每天產(chǎn)生沼氣8 000～10 000 m3，其中約70%用于自身污泥處理加熱系統，其余2 000～3 000 m3 的沼氣進(jìn)行提純處理，提純后為1 000～2 000 m3。提純的目的是去除沼氣中的CO2與H2S等雜質(zhì)，將CH4的含量由原沼氣的60%～65%提高到99.9%，達到國家壓縮車(chē)用天然氣標準，供社會(huì )車(chē)輛使用，售價(jià)4.5元/ m3，每標立方米車(chē)用沼氣的動(dòng)力效率與每升93號汽油的動(dòng)力效率是相同的。
2.3.2生物質(zhì)炭土
經(jīng)過(guò)高溫熱水解、厭氧消化、脫水和熱干化一系列處理后，其污泥處理產(chǎn)物與原污泥相比，無(wú)論是數量、外觀(guān)上，還是性狀、成分組成上都發(fā)生了根本性的變化。首先，由于有機物的分解和水分的減少，產(chǎn)物重量（干化后）僅為原污泥的1/4左右；其次，消滅了病原菌，實(shí)現了衛生化；再之，由于有機物分解率和沼氣產(chǎn)量提高，使產(chǎn)物的穩定化水平得到提高，產(chǎn)物不再發(fā)臭。
傳統厭氧消化后產(chǎn)物，由于有機酸含量較高和衛生化水平不高，其產(chǎn)物在用于苗木栽培和其他土地利用時(shí)，還需要適當處理，如有文獻提出，應在厭氧消化后再接好氧發(fā)酵處理［1］，以進(jìn)一步降解有機酸、殺滅病原菌。高溫熱水解厭氧消化，在英國被稱(chēng)為高級厭氧消化（advanced anaerobic digestion）；并規定，只有經(jīng)過(guò)高級厭氧消化處理后的污泥產(chǎn)物才能夠直接用于土地，詳見(jiàn)表1。
表1 英國對污泥處理方法和土地利用的規定
污泥經(jīng)過(guò)上述過(guò)程的處理后，不應該再稱(chēng)之為污泥。筆者認為這種產(chǎn)物，稱(chēng)為“生物質(zhì)炭土”更貼切。襄陽(yáng)通過(guò)將“生物質(zhì)炭土”以“可移動(dòng)式”苗木栽培和苗木移栽的方式，將這種“生物質(zhì)炭土”在環(huán)境中進(jìn)行消納，解決了產(chǎn)物的處置問(wèn)題，這是襄陽(yáng)污泥處理工程的最大亮點(diǎn)之一，“可移動(dòng)式”苗木栽培情況見(jiàn)圖5。污泥處置是處理產(chǎn)物在環(huán)境中消納方式［2］，把污泥處置改為處理后的產(chǎn)物處置，將更加有利于對污泥處理處置的正確理解。#p#副標題#e#
圖5 “可移動(dòng)式”苗木種植情況
3 襄陽(yáng)污泥處理處置工程特點(diǎn)總結
襄陽(yáng)污泥處理處置工程注重與當地污泥實(shí)情相結合，注重能源的有效利用，注重不斷優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，注重生物質(zhì)產(chǎn)物的利用方式創(chuàng )新。主要特點(diǎn)可概括總結為：
?。?）球形高溫熱水解罐減輕了砂子對設備的磨損。襄陽(yáng)采用的高溫熱水解罐為可轉式球形罐，因球罐自身的緩慢轉動(dòng)，實(shí)現了污泥與蒸汽的混合和攪拌，這種結構較國外的立式罐，較好地解決了污泥中砂子對設備的磨損，適合于我國污泥中含砂量高的現實(shí)情況。
?。?）陽(yáng)光棚干化提高了熱利用效能。為了便于厭氧消化處理后產(chǎn)物“生物質(zhì)炭土”的利用，襄陽(yáng)工程利用閃蒸泄壓罐出泥冷卻釋放出的熱量以“地暖”的形式干化“生物質(zhì)炭土”，充分利用了系統的熱能，并借助陽(yáng)光的作用使“生物質(zhì)炭土”進(jìn)一步減量，布設在陽(yáng)光棚壁下部的風(fēng)機向“上物質(zhì)炭土”表層吹、吸風(fēng)，又直接加速了熱量和水分的交換；這種干化方式也有效解決了砂子對機械干化設備的磨損問(wèn)題，降低了投資和運行成本。
?。?）消化液的高pH降低了沼氣中硫化氫含量。國外和襄陽(yáng)工程的實(shí)踐都證明，經(jīng)高溫熱水解后，消化液中的NH4+濃度高于傳統厭氧消化，使得消化液為弱堿性，為消化液提供了較強的緩沖能力，為甲烷菌生長(cháng)提供良好的條件。H+濃度低了，也就降低了形成硫化氫的可能性，使得沼氣中硫化氫含量較低。襄陽(yáng)工程沼氣的硫化氫含量為50～100 mg/L（消化池出泥pH平均為7.8），而無(wú)高溫熱水解的上海市白龍港污水處理廠(chǎng)沼氣的硫化氫含量為350～800 mg/L（消化池出泥pH平均為7.34）；pH=7.3意味著(zhù)比pH=7.8的溶液H+的摩爾濃度高3倍以上。由于硫化氫是沼氣利用的一個(gè)很大障礙，所以硫化氫含量越低，沼氣脫硫措施就越簡(jiǎn)單。同時(shí)由于氫離子濃度的降低，又促使S2-與重金屬離子結合為難溶的硫化物，這些硫化物的溶度積常數僅為硫酸鹽溶度積的百億分之一或以下，對比情況詳見(jiàn)表2。
表2 幾種常見(jiàn)重金屬化合物的溶度積常數
?。?）“可移動(dòng)式”苗木栽培術(shù)解決了產(chǎn)物出路。襄陽(yáng)污泥處理廠(chǎng)采用的“可移動(dòng)式”苗木栽培技術(shù)具有三大特點(diǎn)，一是“菠蘿皮”狀塑料殼容器具有透氣性好、可拆卸、可拼接、可重復使用、可控制輔根的生長(cháng)等性能，也為苗木生長(cháng)提供了良好的條件，苗木根系生長(cháng)情況詳見(jiàn)圖6，栽培中采用水和營(yíng)養液（利用離心機脫水的沼液）的滴灌技術(shù)，節水效果明顯，詳見(jiàn)圖7；二是由于移栽時(shí)，不需要采挖，且帶“皮”運輸，所以就會(huì )不傷及根系，保證了苗木移栽的高成活率；三是襄陽(yáng)污泥工程就是通過(guò)這種“賣(mài)樹(shù)帶炭土”的創(chuàng )新方式，成功解決了“生物質(zhì)炭土”的資源化利用問(wèn)題。幾年來(lái)由襄陽(yáng)污泥處理工程提供的苗木已達6萬(wàn)多棵，美化了襄陽(yáng)市。不但解決了“生物質(zhì)炭土”的出路，而且經(jīng)濟效益十分可觀(guān)?？芍^：不挖山川一棵樹(shù)，不損環(huán)境一方寸，苗木移植帶炭土，園林走出生態(tài)路，借用一塊沙荒地，建成一片綠世界。
圖6 苗木根系生長(cháng)情況
圖7 “菠蘿皮”狀容器照片
國家林業(yè)局近日下發(fā)了《關(guān)于切實(shí)加強和嚴格規范樹(shù)木采挖移植管理的通知》（林資發(fā)〔2013〕157號），文件倡導以苗木綠化為主，以大苗木栽植代替大樹(shù)移植；文件確定采挖樹(shù)木，必須辦理采伐許可證，胸徑5 cm以上的樹(shù)木必須納入采伐限額管理。隨著(zhù)國家對山林采挖的嚴格管控，襄陽(yáng)污泥處理工程這種苗木栽培和苗木移栽的優(yōu)勢將更加凸顯。城鎮污水處理廠(chǎng)污泥經(jīng)高溫熱水解厭氧消化，或者好氧發(fā)酵處理后的“生物質(zhì)炭土”進(jìn)行苗木栽培，為我國城鎮綠化提供了可靠的苗木來(lái)源的同時(shí)，解決了污泥處理產(chǎn)物的出路，一舉雙贏(yíng)。
?。?）實(shí)現了餐廚垃圾的同步處理。餐廚垃圾處理也是我國面臨的緊迫任務(wù)和難題，襄陽(yáng)污泥處理工程嘗試將收集的餐廚垃圾直接送入厭氧消化池與污泥同步厭氧消化處理，目前日處理餐廚垃圾量約為15 t左右。餐廚垃圾的加入有效提高了消化物的有機質(zhì)含量，有助于沼氣產(chǎn)量的提高。隨著(zhù)堆積污泥量的減少，直至消除，將為該工程承接襄陽(yáng)市的餐廚垃圾提供了設施能力上的保證。為了確保餐廚垃圾不含有影響消化池運行的雜物，在餐館源頭安裝了自主開(kāi)發(fā)的收集器（見(jiàn)圖8），可有效避免雜物的混入，為后續的處理和設施的安全運行提供了保障，圖9為將餐廚垃圾直接接入消化池的照片。
圖8 餐廚垃圾源頭收集器
圖9 餐廚垃圾接入消化池
4 襄陽(yáng)工程經(jīng)驗總結
整個(gè)襄陽(yáng)污泥處理工程體現了：污泥全處理，過(guò)程全綠色，能源全平衡，資源全利用，利用有得益，成本可接受。驗證了高溫熱水解厭氧消化對傳統厭氧消化技術(shù)的提升作用；驗證了污泥處理必須滿(mǎn)足產(chǎn)物處置要求的原則，也就是說(shuō)，只有把處理產(chǎn)物的出路解決好了，處理才能夠按照產(chǎn)物的出路要求進(jìn)行，處理才是有效的；驗證了“污染治理，重在資源利用，贏(yíng)在資源利用”的實(shí)效。贏(yíng)在資源利用就“綁架”了污染的治理，讓污染治理從被動(dòng)進(jìn)行，轉為主動(dòng)進(jìn)行。襄陽(yáng)污泥處理工程為我國污泥處理處置探索出了一條新路，這一工程案例在2013年7月聯(lián)合國華沙氣候大會(huì )上，也向全世界做了分享。
襄陽(yáng)污泥處理工程為我國污泥處理處置提供的經(jīng)驗可以概括為：
?。?）提升了厭氧消化技術(shù)水平。高溫熱水解厭氧消化與傳統的厭氧消化（包括未經(jīng)熱水解處理的高濃度厭氧消化）相比，從如下五個(gè)方面提升了厭氧消化技術(shù)：一是由于污泥經(jīng)過(guò)高溫熱水解改性，使高濃度污泥的粘滯性和流動(dòng)性得以改善，可在不增加傳統消化攪拌能量的前提下，實(shí)現污泥的高濃度厭氧消化，加之消化溫度的提高，消化時(shí)間縮短，使得消化池容積負荷得到成倍增加，消化效率大幅度提高，也讓已有厭氧消化設施的老廠(chǎng)在不擴建消化池的前提下，實(shí)現處理能力和處理產(chǎn)物品質(zhì)的雙提高；二是由于沼氣中H2S含量的降低，使得沼氣脫硫措施大為簡(jiǎn)化，與此同時(shí)，沼氣產(chǎn)量也得到提高，不但能夠實(shí)現自足，而且還可實(shí)現沼氣的社會(huì )化利用，讓污泥處理廠(chǎng)成為能源制造廠(chǎng)；三是由于氫離子濃度的顯著(zhù)降低，促使重金屬離子形成更加難溶的重金屬硫化物，降低了離子態(tài)重金屬的毒性；四是由于污泥經(jīng)過(guò)高溫、高壓的“蒸煮”，加之經(jīng)過(guò)熱干化處理，原污泥中的病原菌被有效殺滅，產(chǎn)物的衛生化水平得到保證；五是由于高溫熱水解后，用于厭氧消化分解的有機成分比例升高，在沼氣產(chǎn)量得以提高的同時(shí)，處理后產(chǎn)物的穩定化程度也得到充分提高，使處理產(chǎn)物不再發(fā)臭。德國DIN 4045對穩定化處理的定義是：“穩定化處理是指減少氣味物質(zhì)和有機物含量的處理，與此同時(shí)改善脫水性能，減少病原菌的污泥處理過(guò)程。”簡(jiǎn)而言之，穩定化的實(shí)質(zhì)是：污泥經(jīng)過(guò)處理后，使其中的微生物不再具備發(fā)生作用的條件。襄陽(yáng)污泥處理工程中的陽(yáng)光干化棚，并沒(méi)有設置除臭設施，也從另一個(gè)側面說(shuō)明了處理后產(chǎn)物的穩定性。
國外高溫熱水解厭氧消化工程和我國襄陽(yáng)工程的實(shí)踐說(shuō)明，這種高溫熱水解加厭氧消化技術(shù)將成為今后厭氧消化技術(shù)發(fā)展的主流，其與傳統消化的相關(guān)參數對比詳見(jiàn)表3。
?。?）實(shí)現了資源的有效利用。我國污泥處理處置面臨的瓶頸之一就是，厭氧消化或者好氧發(fā)酵處理后的產(chǎn)物仍然“走投無(wú)路”，或甚至不得不再加石灰后去填埋場(chǎng)填埋，使污泥處理的意義大打折扣。生物質(zhì)能源——沼氣的社會(huì )化利用和“生物質(zhì)炭土”的“可移動(dòng)式”苗木栽培、苗木移植是對污泥處理產(chǎn)物處置的創(chuàng )新，走出了我國污泥生物質(zhì)資源利用的
表3高溫熱水解消化與傳統消化參數對比
新路，讓污泥處理的作用和功能得到充分體現，詮釋了污泥有效處理和產(chǎn)物安全處置的全過(guò)程。同時(shí)，厭氧消化作為一種穩定化處理過(guò)程，在降解有機物的同時(shí)，也讓處理后“生物質(zhì)炭土”中含有了珍貴的腐殖酸［3］，所以資源的利用體現了對彌足珍貴的生物質(zhì)的重視。
?。?）保障了污染治理主動(dòng)進(jìn)行。襄陽(yáng)污泥處理工程處理后產(chǎn)物的資源化利用,解決了污泥處理產(chǎn)物的出路問(wèn)題，與此同時(shí)，通過(guò)部分沼氣和苗木的出售，讓資源化利用有了經(jīng)濟效益，讓治污投入有了經(jīng)濟效益的產(chǎn)出。這一“污染治理，重在資源利用，贏(yíng)在資源利用”的模式，為污染治理持續進(jìn)行、有效進(jìn)行提供了機制上的保障，促成了治污的良性循環(huán)。
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